9.3. Распад жиров и фосфолипидов.

В процессе синтеза ацилглицеринов жира происходит образование сложноэфирных связей между остатками глицерина и жирных кислот. В ходе распада ацилглицеринов происходит обратный процесс – расщепление сложноэфирных связей гидролитическими ферментами липазами (3.1.1.3). Особенно высока активность липаз в прорастающих семенах масличных растений, у которых главными запасными веществами являются жиры. Под действием липаз жиры с участием воды расщепляются до глицерина и свободных жирных кислот:

СН₂ОН

СН₂ОСОR₁|

| + 3Н₂О¾®СНОН +R₁–СООН +R₂–СООН + R₃–СООН

СНОСОR₂|

| СН₂ОН

СН₂ОСОR₃

триацилглицерин глицерин жирные кислоты

В ходе реакции гидролиза фермент последовательно катализирует расщеп-ление первой сложноэфирной связи триацилглицерина, затем второй и далее третьей.

Большинство липаз находится в клетках растений или микроорганизмов в растворимом состоянии и имеют оптимум каталитического действия при рН 8. Для проявления каталитической активности липаз необходимо присутствие в физиологической среде катионов Са²⁺.

Образовавшиеся при гидролизе жира глицерин и жирные кислоты подвергаются дальнейшим превращениям. Глицерин вначале фосфорилируется от АТФ под действием фермента глицеролкиназы(2.7.1.30) и превращается в глицерол-3-фосфат:

СН₂ОН СН₂ОН

| |

СНОН + АТФ ¾®СНОН + АДФ

| |

СН₂ОН СН₂О(Р)

глицерин глицерол-3-фосфат

СН₂ОН СН₂ОН

| |

СНОН + НАД⁺¾®С=О + НАД×Н + Н⁺

| |

СН₂О(Р) СН₂О(Р)

глицерол-3-фосфат фосфодиоксиацетон

Затем глицерол-3-фосфат окисляется с участием уже известного нам фермента НАД-специфичной глицеролфосфатдегидрогеназы, превращаясь в фосфодиоксиацетон:

Н

/

СН₂ОН С=О

| |

С=О DСНОН

| |

СН₂О(Р) СН₂О(Р)

фосфодиокси- 3-фосфоглицериновый

ацетон альдегид

Под действием фермента триозофосфатизомеразы фосфодиокси-ацетон изомеризуется в 3-фосфоглицериновый альдегид. В связи с тем, что данный фермент катализирует и обратную реакцию превращения 3-фосфоглицеринового альдегида в фосфодиоксиацетон, в физиологической среде между указанными метаболитами устанавливается динамическое равновесие:

Дальнейшие превращения фосфодиоксиацетона и 3-фосфоглицери-нового альдегида могут происходить в двух направлениях: они могут участвовать в синтезе углеводов или включаться в дыхательные реакции.

Если в клетках организма осуществляется превращение запасных жиров в углеводы, например, при прорастании семян масличных растений, под действием фермента альдолазы фосфодиоксиацетон и 3-фосфогли-цериновый альдегид конденсируются с образованием фруктозо-1,6-дифосфата, который превращается во фруктозо-6-фосфат, способный далее включаться в синтез различных углеводов по уже известным нам механизмам.

С другой стороны, 3-фосфоглицериновый альдегид может включаться в реакции дыхания и использоваться как энергетический материал. В этом случае он окисляется в анаэробной стадии дыхания до пировиноградной кислоты, которая в результате окислительного декарбоксилирования образует ацетил-КоА, включающийся далее в реакции цикла Кребса.

Другие продукты гидролиза жиров – жирные кислоты – подвергаются окислению у человека и животных преимущественно под действием ферментов, локализованных во внутреннем матриксе митохондрий, а у растений в значительном количестве ещё и в цитоплазме клеток. В соответствии с этим у растений различают два механизма окисления жирных кислот: a-окисление и b-окисление.

Распад жирных кислот по механизму a-окисления осуществляется в цитоплазме растительных клеток и происходит в две стадии. На первой стадии жирная кислота подвергается действию фермента пероксидазы жирных кислот (1.11.1.3), который с участием пероксида водорода катализирует окислительное декарбоксилирование жирной кислоты с образованием альдегида:

O

//

R₂–CH₂–CH₂–COOH + H₂O₂ + ½ O₂ ¾® R–CH₂–C–H + CO₂ + 2H₂O

жирная кислота альдегид

жирной кислоты

На второй стадии a-окисления альдегид жирной кислоты окисляется до кислоты под действием фермента дегидрогеназы альдегидов жирных кислот (1.2.1.3), имеющего в качестве кофермента нуклеотидную группировку НАД:

О О

// //

R₂–CH₂–C–Н + Н₂О + НАД⁺ ¾® R₂–CH₂–C–ОН + НАД×Н + Н⁺

В результате a-окисления кислород присоединяется к a-углеродному атому жирной кислоты, а от карбоксильной группы отщепляется СО₂ и углеродная цепь жирной кислоты становится короче на один углеродный атом. При многократном повторении a-окисления происходит деградация жирной кислоты на СО₂ и воду. Но в ходе окисления альдегидов жирных кислот на каждую молекулу выделившегося в предшествующей реакции СО₂ синтезируется 1 молекула восстановленного динуклеотида НАД×Н. Таким образом, при a-окислении жирных кислот часть их свободной энергии используется для синтеза динуклеотидов НАД×Н, которые могут далее участвовать в восстановительных реакциях, лежащих в основе синтеза различных биохимических продуктов растительной клетки. Наиболее активно a-окисление жирных кислот происходит в прорастающих семенах масличных культур.

Распад жирных кислот по механизму b-окисления проходит во внутреннем матриксе митохондрий. Большая часть жирных кислот находится не в свободном виде, а превращается в КоА-производные под действием ацил-КоА-синтетазы (6.2.1.3). В ходе такого превращения осуществляется сопряжённый синтез ацил-КоА за счёт гидролиза АТФ:

О

//

R–CH₂–CH₂–C–OH+HS–КоА + АТФ¾®R–CH₂–CH₂–C~S–КоА + АМФ + Н₄Р₂О₇

||

О

жирная кислота ацил-КоА

Известны ацил-КоА-синтетазы, которые катализируют активирование жирных кислот с длиной цепью, а другие – с более короткой цепью (4-12 углеродных атомов).

В переносе КоА-производных жирных кислот через мембраны митохондрий участвуют молекулы карнитина, имеющего биполярную группирову. Во внутренней мембране митохондрий имеется ацилтрансфераза, катализирующая перенос ацильных остатков с КоА на карнитин по следующей схеме:

СН₂–N⁺(СН₃)₃СН₂–N⁺(СН₃)₃

| /

R–C~S–КоА + НО-С-Н¾®R–С–О–СН + НS–КоА

|| | || \

O СН₂–СОО^- O СН₂–СОО‾

ацил-КоА карнитин сложный эфир карнитина

и жирной кислоты

В соединении с карнитином жирная кислота проникает через мембраны митохондрий во внутренний митохондриальный матрикс, где осуществляется замещение остатка карнитина снова на кофермент А. Определённая часть жирных кислот (до 30%) могут проходить через мембраны митохондрий в свободном виде и их соединение с коферментом А уже происходит в митохондриальном матриксе.

Активированные жирные кислоты, соединённые с коферментом А, в митохондриальном матриксе подвергаются действию фермента ацил-КоА-дегидрогеназы (1.3.99.3), имеющего в качестве простетической группы ФАД. В ходе реакции окисления от остатка жирной кислоты отщепляются электроны и протоны с образованием a,b-ненасыщенного производного жирной кислоты, присоединённой к коферменту А:

R–СН₂–СН₂–С~S–КоА + ФАД ¾® R–СН=СН–С~S–КоА + ФАД×Н₂

|| ||

О О

ацил-КоА ненасыщенное ацил-

КоА-производное